GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS），是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng) ^[1]  。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS測量技術(shù)能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精確三維坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、民用交通(船舶、飛機(jī)、汽車等)導(dǎo)航、大地測量、攝影測量、野外考察探險(xiǎn)、土地利用調(diào)查、精確農(nóng)業(yè)以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂)等不同領(lǐng)域。現(xiàn)在GPS與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，使得測定地球表面三維坐標(biāo)的方法從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，從數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)的定位與導(dǎo)航，極大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術(shù)可以極大提高相對定位精度，在小范圍內(nèi)可以達(dá)到厘米級精度。此外由于GPS測量技術(shù)對測點(diǎn)間地通視和幾何圖形等方面的要求比常規(guī)測量方法更加靈活、方便，已完全可以用來施測各種等級的控制網(wǎng)。GPS全站儀的發(fā)展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)。 ^[2] 

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個(gè)軌道平面之間相距60度即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。

在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時(shí)它們繞地球運(yùn)行二周即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時(shí)為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)必須觀測4顆GPS衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時(shí)甚至不能測得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種時(shí)間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位測量。GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。

對于導(dǎo)航定位來說GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時(shí)間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站。

GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時(shí)間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備即GPS信號接收機(jī)。可以在任何時(shí)候用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。

靜態(tài)定位中GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變接收機(jī)高精度地測量GPS信號的傳播時(shí)間利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測定一個(gè)運(yùn)動物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號接收機(jī)所位于的運(yùn)動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機(jī)行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運(yùn)動接收機(jī)用GPS信號實(shí)時(shí)地測得運(yùn)動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機(jī)來說兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件觀測時(shí)將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體觀測時(shí)將其安置在測站點(diǎn)上。

GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。

近幾年國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測地型接收機(jī)。各種類型的GPS測地型接收機(jī)用于精密相對定位時(shí)其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5MM+1PPM.D單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級至厘米級。

目前各種類型的GPS ^[3]  接收機(jī)體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問世。

GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置三維方向以及運(yùn)動速度和時(shí)間信息。

基于ARM的GPS定位系統(tǒng)，將其數(shù)據(jù)接收裝置安裝在待跟蹤的物體上，數(shù)據(jù)接收裝置通過接收GPS信號解析待跟蹤物體的定位信息，數(shù)據(jù)接收裝置再通過無線射頻向數(shù)據(jù)處理裝置發(fā)送待跟蹤物體的定位信息，數(shù)據(jù)處理裝置處理接收到的定位信息，實(shí)現(xiàn)物體遠(yuǎn)距離定位的目的。 ^[4] 

也就是說，GPS定位是在被定位的物體或是設(shè)備上提前安裝GPS裝置，通過衛(wèi)星去獲取GPS裝置的位置信息，然后將位置信息傳遞給控制端的一個(gè)過程。被定位端要預(yù)先安裝GPS裝置才可以定位，而且裝置必須得處于工作狀態(tài)，否則是定位不到的。

GPS系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等。

定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明GPS相對定位精度在50KM以內(nèi)可達(dá)10-6m，100-500KM可達(dá)10-7m，1000KM可達(dá)10-9m。在300-1500M工程精密定位中1小時(shí)以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。

觀測時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時(shí)當(dāng)每個(gè)流動站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)流動站觀測時(shí)間只需1-2分鐘然后可隨時(shí)定位每站觀測只需幾秒鐘。

測站間無須通視GPS測量不要求測站之間互相通視只需測站上空開闊即可因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視點(diǎn)位位置可根據(jù)需要可稀可密使選點(diǎn)工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測量工作。

可提供三維坐標(biāo)經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。

操作簡便隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)自動化程度越來越高有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。

全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響功能多、應(yīng)用廣。

從這些特點(diǎn)中可以看出GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航還可用于測速、測時(shí)。測速的精度可達(dá)0.1M/S測時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航收集情報(bào)等軍事目的。但是后來的應(yīng)用開發(fā)表明GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號能夠進(jìn)行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位米級至亞米級精度的動態(tài)定位亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時(shí)間測量。因此GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。

GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的至今它仍然由美國軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)給海中的軍艦導(dǎo)航為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。

目前GPS系統(tǒng)的應(yīng)用已將十分廣泛我們可以應(yīng)用GPS信號可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航導(dǎo)彈的制導(dǎo)大地測量和工程測量的精密定位時(shí)間的傳遞和速度的測量等。對于測繪領(lǐng)域GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)測定全球性的地球動態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測量基準(zhǔn)進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測以及海洋測繪；用于監(jiān)測地球板塊運(yùn)動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。用于測定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置實(shí)現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測的技術(shù)革命。

許多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)也使用GPS設(shè)備來跟蹤他們的車輛位置這一般需要借助無線通信技術(shù)。一些GPS接收器集成了收音機(jī)、無線電話和移動數(shù)據(jù)終端來適應(yīng)車隊(duì)管理的需要。

由于多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 使得GPSGLONASSINMARSAT等系統(tǒng)都具備了導(dǎo)航定位功能形成了多元化的空間資源環(huán)境。這一多元化的空間資源環(huán)境促使國際民間形成了一個(gè)共同的策略即一方面對現(xiàn)有系統(tǒng)充分利用一方面積極籌建民間GNSS系統(tǒng)待到2010年前后GNSS純民間系統(tǒng)建成全球?qū)⑿纬蒅PS/GLONASS/GNSS三足鼎立之勢才能從根本上擺脫對單一系統(tǒng)的依賴形成國際共有、國際共享的安全資源環(huán)境。世界才可進(jìn)入將衛(wèi)星導(dǎo)航作為單一導(dǎo)航手段的最高應(yīng)用境界。國際民間的這一策略反過來有影響和迫使美國對其GPS使用政策作出更開放的調(diào)整。總之由于多元化空間資源環(huán)境的確立給GPS的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)前所未有的良好的國際環(huán)境。

車載GPS技術(shù)層面的發(fā)展趨勢第一個(gè)大趨勢就是頻率分集技術(shù)（frequency diversity），實(shí)際上已經(jīng)正在第二代GPS系統(tǒng)替換老化衛(wèi)星過程中進(jìn)行。完成以后，現(xiàn)代化的衛(wèi)星星座將為民用用戶提供三種新的定位信號。此外，歐洲聯(lián)盟在2002年3月啟動的“伽里略”計(jì)劃也采取了此種技術(shù)。 第二個(gè)大趨勢就是克服射頻干擾(RFI)。GPS廣播的功率特別低，一般為10到16瓦，很容易就會被周圍的射頻信號所干擾，而不能正常工作。GPS接收器將通過把接收到的測距碼與儲存在本地的復(fù)制碼的相位進(jìn)行匹配來穿透噪聲。當(dāng)相位一致時(shí)，接收器就能夠以定時(shí)信號作為精確的參考，因此就可以準(zhǔn)確的定位。 第三個(gè)大趨勢就是安裝保證定位誤差小于某一個(gè)特定值的綜合機(jī)械系統(tǒng)。采用微分GPS技術(shù)，系統(tǒng)將獲得來自地球同步軌道通信衛(wèi)星的最新誤差校正信息，修正數(shù)據(jù)來自于地面參考接收器。過去GPS的誤差為2米，現(xiàn)在將更小。

GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12恒星時(shí)。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進(jìn)行工作的。

GPS的控制部分由分布在全球的由若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個(gè)，位于美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)，它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站有五個(gè)，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有三個(gè)，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。

1、在大地測量方面，利用GPS技術(shù)開展國際聯(lián)測，建立全球性大地控制網(wǎng)，提供高精度的地心坐標(biāo)，測定和精化大地水準(zhǔn)面，組織各部門參加1992年全國GPS定位大會戰(zhàn)。

2、在工程測量方面，應(yīng)用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，用于城市和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測、大壩變形、高層建筑變形監(jiān)測，隧道貫通測量等精密工程，測繪各種比例尺地形圖和施工放樣等。

3、在航空攝影測量方面，應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行航測外業(yè)控制測量、攝航飛行導(dǎo)航、機(jī)載GPS航測等航測成圖等。

4、在地球動力學(xué)方面，我國應(yīng)用GPS技術(shù)于監(jiān)測南極洲板塊運(yùn)動、青藏高原地殼運(yùn)動、四川鮮水河地殼斷裂運(yùn)動，建立了中國地殼形變觀測網(wǎng)、三峽庫區(qū)形變觀測網(wǎng)、首都圈GPS形變監(jiān)測網(wǎng)等。

5、在海洋測繪方面，我國已經(jīng)應(yīng)用GPS技術(shù)于海洋測量、水下地形測量。